天然气水合物颗粒-水流态化特性模拟研究

罗 丹，李爱蓉*，蒋乐乐,2，程 敏

（1.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500；2.西南化工设计院有限公司 国家碳一化学工程技术研究中心，四川 成都 610225）

随着社会经济的发展，煤、石油等传统能源已不能满足日益增长的能源需求[1,2]。天然气水合物作为一种储量巨大的替代能源，正引起人们的广泛关注[1,2]。据统计，天然气水合物全球蕴藏量高达2.1×1016m3[3]，碳含量约为化石能源的2倍[4]。为了将天然气水合物资源化利用，一些学者提出了注热[5,6]、降压[7,8]、气体置换[9,10]和固态开采[11]等开采方法。其中，固态开采法将天然气水合物以固态形式进行采掘和破碎，在密闭条件下将天然气水合物颗粒与海水混合形成水合物浆体输送至海平面，该方法可较好的应用于各类天然气水合物藏，尤其是地层中分布比例最大的非成岩型天然气水合物藏。但将海水与天然气水合物颗粒同时提升至地面会使整个工艺的能耗过高，且在天然气水合物浆体输送的过程中，如果天然气水合物发生分解，将会对输送过程产生诸多不可控的问题[12]。为了解决上述问题，本文提出在固态天然气水合物采掘和破碎的基础上，在流化床中实现天然气水合物颗粒的分解，流化床反应器由于结构简单、处理量大、传质传热效率高等[13,14]特点，已在化学工业中广泛应用。最终，在天然气水合物分解后，仅有甲烷气体输送至海面，从而避免了固态开采中的长距离多相流输送，其过程如图1所示。

图1 工艺流程示意图

流化床中的多相流动特性（如颗粒的分布、床层的压力降等）对于流化床的设计及工业应用十分重要，颗粒的分布越均匀，床层的压力降越小，说明流化的效果越好[15]，因此，天然气水合物颗粒-水的流态化特性的研究是流化床在天然气水合物开采中应用的前提。然而，流化床中颗粒的运动过程仍属于变化复杂的多相流动，颗粒在流化床中的分布随时间和空间不断变化，因此相关学者仍对此进行了许多研究。尤东光等[16]研究了液固流化床中流化速度变化对流化床中的多相流动的影响，发现随着流化速度增大，颗粒的瞬时分布变化较大。Razzak等[17]研究了不同特性的颗粒对流化床中的流动的影响，发现颗粒的粒径和密度对颗粒分布均有一定程度的影响。Jiang等[18]研究了液固流化床中压力降的特性，发现流化床中的压力降受颗粒的初始体积分数影响较大。可以看出，流化速度、颗粒的密度和粒径以及初始体积分数的不同对流化床中的流动特性均有一定影响，但现有关于天然气水合物颗粒-水的流动研究[19,20]多集中于天然气水合物颗粒的输送上，而流化床中水合物颗粒悬浮于流体之中处于不断运动的状态但并不被流体所带出，因而其流动规律与天然气水合物颗粒输送时有一定差异。

因此，本文采用ANSYSY Fluent软件，对流化床中天然气水合物颗粒（后文简称“水合物”）-水的两相流动特性进行模拟，主要分析水流速度、水合物颗粒粒径、密度和初始体积分数等因素对水合物颗粒分布和床层压力降等特性的影响规律，确立水合物颗粒处于流态化下的流化速度范围以及颗粒均匀分布的条件。

1 模型建立

在研究其流态化特性时，假定水合物不分解，以水为液相即连续相，水合物颗粒为固相即分散相，通过水合物颗粒和水的连续性方程和动量方程对其运动过程进行描述，同时考虑相间的相互作用及流体的湍流运动。

1.1 主要模型方程

(1)连续性方程

液相水的连续性方程如式(1)：

式中：t为时间，ɑl为液相体积分数，ρl为液相密度，vl为液相流速。

固相水合物颗粒连续性方程如式(2)：

式中：ɑs为固相体积分数，ρs为固相密度，vs为固相流速。

其中，水合物颗粒可视为纯水合物和海底沉积物的混合物[21]，其密度由式(3)计算：

式中，φ为水合物颗粒中纯水合物的体积分数，SH为水合物的饱和度，SW为水的饱和度，ρH为纯水合物的密度，ρp为沉积物的密度。

(2)动量方程

液相水的动量方程如式(4)：

式中：g为重力加速度，Ms,l为液固相间作用力，为液相的应力张量由式(5)计算：

式中：μl为液相的剪切粘度，为单位张量。固相水合物颗粒的动量方程如式(6)：

式中：ps为固体压力，Ml,s为液固相间作用力，为固相的应力张量由式(7)计算：

式中：μs为固相剪切粘度，λs为固相体积粘度。其中固相剪切粘度μs采用Gisdaspow模型计算，固相体积粘度λs采用Lun模型计算。

相间的作用力由Wen-Yu模型计算，湍流模型采用Dispersed RNG k-ε模型。

1.2 定解条件

本文中的流化床高0.8m，宽0.1m，初始填充时，流化床底部为水合物颗粒和水，上部充满水，如图2所示。入口边界为速度入口，由水作为流化介质，由底部入口流入，出口边界为压力出口，壁面为无滑移的边界条件，时间步长取0.001s。

图2 流化床模型

2结果与讨论

本文就水的入口流速、水合物颗粒粒径和密度，初始床层体积分数和初始床层高度等参数对床层中水合物颗粒分布、床层膨胀程度和压力等参数的影响进行了分析。各物理量取15～20s内的平均值，其中，径向物理量取高y＝0.2m处的值，轴向物理量取x＝0.05m处的值。

2.1 水的入口流速对流化特性的影响

在考察水的入口流速的影响时，水合物颗粒粒径设置为1.0mm，密度为1800kg/m3，水合物颗粒初始床层体积分数为0.5，初始床高为0.2m。从图2看出，当水的入口流速为0.01m/s时，床层高度为0.2m，水合物颗粒体积分数约为0.5，与初始时相同，床层几乎未发生膨胀，颗粒没有被流化；而当水的入口流速为0.12m/s时，床层的膨胀高度已快超过床高，颗粒几乎被带出了床层，有进入颗粒输送状态的趋势。这说明在本文的操作条件下，颗粒处于流态化状态下的水的入口流速应取在0.01～0.12m/s之间。因此， 选取0.02m/s，0.04m/s，0.06m/s和0.08m/s作为水的入口流速，来考察水的入口流速对水合物颗粒-水的流化特性的影响。

图3 水的入口流速范围的分析

从图4看出，随着水的入口流速从0.02m/s增大到0.08m/s，液固间的相间作用增强，床层高度由约0.34m增大到0.59m，床层膨胀程度也随之增大，因而从整体上看，床层中轴向水合物颗粒的体积分数减小。

图4 水的入口流速对轴向颗粒分布的影响

从图5(a)的径向水合物颗粒体积分数分布可以看出，水合物颗粒呈左右对称分布，水合物颗粒的体积分数在近壁面处取得最小值，在中部的分布则较为均匀，这是由于在壁效应的作用下，壁面处的液相流速更大，进而水在两侧占据了更多空间。同时，随着入口流速增大到0.06m/s和0.08m/s，水合物颗粒体积分数在约x＝0.02m和x＝0.08m处的局部固相含率较大，这说明随着流速增大，在更强的相间作用下，水合物颗粒在床层中的运动更为剧烈，分布的均匀性下降。

从图5(b)的轴向压力分布可以看出，随着轴向位置的增大，在各个液相水的入口流速下，床层压力均从约102100Pa减小到101300Pa，压力降均在800Pa左右，无明显变化，这与流化床压差不随入口流速改变[21]的特点相符，说明水合物颗粒在上述流速下，已处于流态化。

图5 水的入口流速对颗粒径向分布和轴向压力分布的影响

2.2 水合物颗粒粒径对流化特性的影响

在考察水合物颗粒粒径的影响时，设置水的入口流速为0.06m/s，水合物颗粒密度为1800kg/m3，初始床层体积分数为0.5，初始床高0.2m。水合物颗粒粒径根据Misyura[23]的研究取值为0.8mm，1.0mm，1.2mm和1.5mm。由图6可以看出，随着水合物颗粒粒径的增大，颗粒对流体的阻碍作用也就越大，床层的膨胀程度逐渐减小，床层高度在粒径为0.8mm时为约0.50m，在1.5mm时减小到约0.39m。同时，在1.2mm和1.5mm的较大粒径时，颗粒在底部的体积分数分布较大。

图6 水合物颗粒粒径对轴向颗粒分布的影响

从图7(a)的径向水合物颗粒体积分数分布可以看出，水合物颗粒在各种粒径下仍呈左右对称分布，水合物颗粒的体积分数在近壁面处取得最小值，在中部的分布较为均匀。颗粒在1.5mm的较大粒径时，由于颗粒间的相互碰撞几率增加，水合物颗粒体积分数在约x＝0.01m和x＝0.09m处的局部相含率较大，而在较小的粒径时，虽在水合物颗粒的体积分数床层中部仍有一定波动，但总体程度较小，颗粒分布的均匀性更好。

图7 水合物颗粒粒径对颗粒径向分布和轴向压力分布的影响

从图7(b)的轴向压力分布可以看出，随着轴向位置的增大，在各个水合物颗粒粒径下，床层压力均从约102100Pa减小到101300Pa，床层压力降均在800Pa左右，无明显变化。这是由于虽然颗粒粒径不同，但床层水合物颗粒初始体积分数相同，因而床层中颗粒所占的总质量相同，产生的阻力无较大变化，进而压力降无明显变化。

2.3 水合物颗粒密度对流化特性的影响

在考察水合物颗粒密度的影响时，设置水的入口流速为0.06m/s，水合物颗粒粒径为1.0mm，水合物颗粒初始床层体积分数为0.5，初始床高0.2m。根据据相关研究[24-26]，各类水合物藏中沉积物的密度约为2600kg/m3，孔隙度为30%～50%，水合物的饱和度约10%～50%，基于此，取水合物颗粒的平均密度为1400kg/m3，1600kg/m3，1800kg/m3和2000kg/m3来进行分析。从图8可以看出，随着水合物颗粒密度的增大，颗粒中沉积物的比例就越高，自身所受重力也就越大，因而床层高度由0.60m减小到0.40m，膨胀程度减小，水合物颗粒在轴向上整体体积分数增大。

图8 水合物颗粒密度对轴向颗粒分布的影响

从图9(a)的径向水合物颗粒体积分数分布可以看出，水合物颗粒在各种密度下仍呈左右对称分布，体积分数在近壁面处取得最小值，在中部的分布较为均匀。但当水合物颗粒密度在1400kg/m3时，由于颗粒自身重力较小，在所受曳力相同的情况下，其所受合力也就越大，因而运动更为剧烈，体积分数在径向上有一定的波动。

从图9(b)的轴向压力分布可以看出，当水合物颗粒密度为2000kg/m3时，随着轴向距离增大，床层压力从约102300Pa降低到101300Pa，压力降为1000Pa。而当水合物颗粒密度为1400kg/m3时，随着轴向距离增大，床层压力从约101700Pa降低到101300Pa，压力降为400Pa，这说明随着水合物颗粒密度的增大，在相同初始体积下，整个床层的质量也就越大，产生的阻力也就越大，因而床层压力降也增大。

图9 水合物颗粒密度对颗粒径向分布和轴向压力降的影响

2.4 水合物颗粒初始床层体积分数对流化特性的影响

图10 水合物颗粒初始体积分数对轴向颗粒分布的影响

在考察水合物颗粒初始床层体积分数的影响时，设置液相水的入口流速为0.06m/s，水合物颗粒粒径为1.0mm，水合物颗粒密度为1800kg/m3，初始床高0.2m，初始体积分数取值为0.3，0.4，0.5和0.6。 由图10可以看出随着水合物颗粒初始床层体积分数的增大，由于床层中的颗粒数目增多，床层的膨胀程度逐渐增大，床层高度由约0.34m增大到0.46m，底部的颗粒体积分数也越大。

从图11(a)的径向水合物颗粒体积分数分布可以看出，水合物颗粒在各初始体积分数下仍呈左右对称分布，在近壁面处取得最小值。但可以明显看出，在颗粒在初始分数在0.3时，由于床层中颗粒数目减少，颗粒间的相互碰撞几率降低，因而分布的均匀性更好。

从图11(b)的轴向压力分布可以看出，当水合物颗粒初始床层体积分数为0.6时，随着轴向距离增大，床层压力从约102260Pa降低到101300Pa，压力降为960Pa。当水合物颗粒初始床层体积分数为0.3时，随着轴向距离增大，床层压力从约1017800Pa降低到101300Pa，压力降为480Pa，这说明随着水合物颗粒初始床层体积分数的增大，床层中颗粒数目和质量明显增大，总体的阻力增大，因而床层压力降增大。

图11 水合物颗粒初始床层体积分数对颗粒径向分布和轴向压力分布的影响

2.5 初始床层高度对流化特性的影响

在考察初始床层高度的影响时，设置液相水的入口流速为0.06m/s，水合物颗粒粒径为1.0mm，水合物颗粒密度为1800kg/m3，水合物颗粒初始体积分数为0.5，初始床高设置为0.1m，0.2m，0.3m，0.4m。由图12可以看出随着初始床层高度的增大，床层高度由约0.32m增大到0.66m。但由于初始高度的不同，膨胀程度在初始高度较低时较大，由0.1m膨胀至0.32m，膨胀比约为3.4，而初始床高为0.4m时，膨胀比仅为1.8左右，因此整体上看，水合物颗粒在轴向上的体积分数就较大。

图12 初始床层高度对轴向颗粒分布的影响

从图13(a)可以明显看出，在初始高度为0.1m时，由于此时床层膨胀程度最大，颗粒整体体积分数较小，颗粒间的相互碰撞几率降低，因而水合物颗粒在径向上的分布均匀性更好。

图13 初始床层高度对颗粒径向分布和床层压力分布影响

从图13(b)的轴向压力分布可以看出，当初始床层高度为0.4m时，随着轴向距离增大，床层压力从约102900Pa降低到101300Pa，压力降为1600Pa。而当初始床层高度为0.1m时，随着轴向距离增大，床层压力从约101690Pa降低到101300Pa，压力降为390Pa。这说明随着水合物颗粒初始床高的增大，床层中颗粒质量增大，阻力增加，床层压力降增大，且变化最为明显。

3 结论

本文通过对流化床中天然气水合物颗粒-水的流态化特性模拟，研究了水的入口流速、天然气水合物颗粒直径和密度、初始床层体积分数和初始床高等参数的影响，主要结论如下：

(1)水的入口流速是决定天然气水合物颗粒是否处于流态化下的主要因素，在水合物颗粒密度为1800kg/m3，粒径为1.0mm，初始床高为0.2m，初始颗粒体积分数为0.5的条件下，水合物颗粒处于流态化下水的入口流速范围为0.01m/s～0.12m/s。

(2)随着水的入口流速、水合物颗粒密度和初始体积分数的增加，床层膨胀程度明显增大，从整体上看，颗粒在床层中的体积分数减小。而水合物颗粒在径向上大体上呈对称分布，最小值位于壁面处，在中部的分布整体上变化不大，但随着水的入口流速、水合物颗粒粒径、初始床层体积分数的增大，颗粒在一些位置的局部相含率存在波动，不均性提高。

(3)床层压力降受水的入口流速和粒径的影响较小，受水合物颗粒密度，初始床层体积分数和床高影响较大，其中，初始床高对压力降的影响最为明显，在其它条件不变的情况下，随着初始床高由0.1m增大到0.4m，床层压力降由约390Pa增到1600Pa。